作為21世紀(jì)的先鋒材料，碳纖維憑借其輕量、高強(qiáng)度、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、體育器材等領(lǐng)域，成為引領(lǐng)科技發(fā)展的重要材料之一。近日，碳纖維低成本制造獲得新突破！ITA學(xué)生研發(fā)成本更低、效益更高的碳纖維制造新方法

碳纖維材料科技進(jìn)步背后的新希望

碳纖維材料的密度僅為鋼的五分之一至四分之一，承載能力卻是鋼的數(shù)倍；同時(shí)，碳纖維材料耐高溫、抗氧化性能優(yōu)越，常用于航空航天以及輕量化車輛制造領(lǐng)域。而這些優(yōu)勢(shì)，得益于其獨(dú)特的化學(xué)結(jié)構(gòu)。據(jù)悉，這種名為“polymethyl acrylate”（聚丙烯腈）的底物通過(guò)高溫進(jìn)行處理形成碳纖維，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度極高，相比傳統(tǒng)鋼鐵材料具有明顯優(yōu)勢(shì)。

自20世紀(jì)初至今，碳纖維材料已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，如建筑、交通運(yùn)輸、軍事、能源等多個(gè)領(lǐng)域。

然而，碳纖維材料的制造成本較高，這成為了制約其大規(guī)模推廣的主要瓶頸。但幸運(yùn)的是，隨著等離子體氧化、微波輔助碳化等先進(jìn)工藝的蓬勃發(fā)展，以及合成方法和提純技藝的創(chuàng)新突破，這種局面有望得到改觀。有數(shù)據(jù)顯示，近年研發(fā)的新技術(shù)使得批量生產(chǎn)碳纖維的成本不斷下降，并且，科學(xué)家們正在積極尋找更環(huán)保有效的制備途徑，以便更好地滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。

ITA學(xué)生的創(chuàng)新研發(fā)

據(jù)報(bào)道，亞琛工業(yè)大學(xué)紡織技術(shù)研究所（ITA）在2023年迎來(lái)兩位獲獎(jiǎng)?wù)?

1、在碩士論文中，ITA的碩士研究生Flavio Andre Marter Diniz開(kāi)發(fā)出了比普通碳纖維薄兩到三倍的聚乙烯基碳纖維，并展示了使用聚乙烯基前驅(qū)體如何在未來(lái)將碳纖維的價(jià)格降低50%。

他的碩士論文"Investigation of the stabilisation and carbonisationprocess for the production of ultra-thin polyeth-ylene-based carbon fibres”(生產(chǎn)超薄聚乙烯基碳纖維的穩(wěn)定化和碳化工藝研究)獲得了德國(guó)紡織機(jī)械工程最佳雙文憑/碩士論文獎(jiǎng)，獎(jiǎng)金為3500歐元。

2、在學(xué)士學(xué)位論文中，ITA的學(xué)士畢業(yè)生Annika Datko展示了如何利用近紅外(NIR）傳感器技術(shù)按纖維成分對(duì)廢舊紡織品進(jìn)行分揀，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上，平均誤差僅為4%。根據(jù)纖維成分進(jìn)行分揀，然后進(jìn)行纖維到纖維的回收利用，是利用(廢舊)紡織纖維生產(chǎn)用于新產(chǎn)品的新纖維的最可持續(xù)的方法。

她的研究成果“Experimental analysis of the sortability of used textiles containing polyester using near-infrared spectroscopy on a laboratory and industrial scale”(利用近紅外光譜在實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)規(guī)模上對(duì)含聚酯的廢舊紡織品的可分揀性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析）獲得了德國(guó)紡織機(jī)械協(xié)會(huì)頒發(fā)的3000歐元的最佳學(xué)士學(xué)位論文獎(jiǎng)。

成本效益更高的碳纖維新制造方法

碳纖維因其優(yōu)異的性能，經(jīng)常被用于風(fēng)力渦輪機(jī)和壓力容器等高增長(zhǎng)領(lǐng)域。遺憾的是，由于制造成本高昂，它們的價(jià)格非常昂貴，而且供應(yīng)量不足。

在碩士論文中，F(xiàn)lavio André Marter Diniz利用聚乙烯原絲開(kāi)發(fā)一種新的、具有成本效益的高質(zhì)量超薄碳纖維制造工藝。

Marter-Diniz生產(chǎn)了新型超薄聚乙烯基碳纖維，纖維直徑<3μm，纖維表面質(zhì)量?jī)?yōu)異，沒(méi)有檢測(cè)出結(jié)構(gòu)缺陷。纖維直徑比傳統(tǒng)的PAN基碳纖維小2-3倍。這為機(jī)械高質(zhì)量的材料性能提供了基礎(chǔ)。同時(shí)，Marter-Diniz能夠?qū)⒒腔瘯r(shí)間減少25%。所開(kāi)發(fā)的材料和技術(shù)在降低碳纖維成本的道路上樹立了重要的里程碑。使用基于PE的原絲，與傳統(tǒng)的PAN基的CF相比，CF的價(jià)格可以降低50%。

廢舊紡織品纖維再循環(huán)的新方法

廢l舊紡織品纖維再循環(huán)的新方法可徹底改變紡織品再循環(huán)的現(xiàn)狀。

目前，廢舊紡織品的分類幾乎完全依靠人工。對(duì)于目前最具可持續(xù)性的紡織品循環(huán)利用方式--纖維到纖維的循環(huán)利用來(lái)說(shuō)，按照纖維成分對(duì)紡織品進(jìn)行分類非常重要。這無(wú)法可靠地通過(guò)人工，即手感來(lái)完成，尤其是混紡纖維。Annika Datko采用近紅外技術(shù)對(duì)廢舊紡織品進(jìn)行分類是一種新方法。近紅外傳感器技術(shù)已經(jīng)成為回收塑料垃圾的最先進(jìn)技術(shù)，但在紡織品分揀方面仍處于起步階段。

具體工作原理用近紅外光照射紡織品樣品。根據(jù)反射光的波長(zhǎng)和檢測(cè)器捕捉到的光波長(zhǎng)，就會(huì)產(chǎn)生一種特定材料的光譜，這種光譜就像指紋一樣。Annika Datko在其學(xué)士學(xué)位論文中比較了不同纖維成分紡織品的光譜或指紋。她證明了使用近紅外光譜可以區(qū)分不同的纖維成分，而且在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)平均誤差非常小，僅為4%。

"這種方法為可持續(xù)地處理堆積如山的廢舊紡織品指明了方向， "ITA主任Thomas Gries博士說(shuō)。"我們的兩名學(xué)生獲得了享有盛譽(yù)的沃爾特-萊納斯獎(jiǎng)，對(duì)此我們深感自豪。每一個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)都彰顯了我們的教育質(zhì)量。祝賀今年的兩位獲獎(jiǎng)?wù)? "

VDMA紡織機(jī)械協(xié)會(huì)通過(guò)Walter Reiners 基金會(huì)積極支持年輕工程師。德國(guó)紡織機(jī)械制造商基金會(huì)每年都會(huì)頒發(fā)學(xué)士、文憑和碩士贊助獎(jiǎng)和可持續(xù)發(fā)展獎(jiǎng)。為節(jié)約資源的產(chǎn)品和技術(shù)開(kāi)發(fā)解決方案的學(xué)術(shù)成果有資格獲得可持續(xù)發(fā)展獎(jiǎng)。

碳纖維材料的發(fā)展趨勢(shì)

隨著科技不斷進(jìn)步，碳纖維材料的應(yīng)用前景更加廣闊。目前，研究人員正在努力改善碳纖維的制備工藝，以降低生產(chǎn)成本，并提高材料的性能。另外，材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新也是未來(lái)的發(fā)展方向，通過(guò)設(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)的碳纖維材料，可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的性能要求，并推動(dòng)材料應(yīng)用的廣度和深度。

此外，研究人員還在探索其他材料與碳纖維的復(fù)合應(yīng)用，以進(jìn)一步提高材料的性能和功能。隨著碳纖維材料技術(shù)的不斷突破，我們相信未來(lái)將會(huì)看到更多驚喜和突破。

碳纖維材料的興起和應(yīng)用無(wú)疑是科技發(fā)展的一大突破，其獨(dú)特的特性和優(yōu)勢(shì)為各個(gè)行業(yè)帶來(lái)了巨大的改變和發(fā)展機(jī)遇。然而，碳纖維材料仍然面臨著制備工藝復(fù)雜、成本高昂等問(wèn)題。我們期待未來(lái)科技的進(jìn)步，讓碳纖維材料更好地服務(wù)于人類社會(huì)，為我們的生活帶來(lái)更多便利和發(fā)展。來(lái)源：賢集網(wǎng)（碳纖維研習(xí)社，空天碳纖復(fù)材，行歌信息、榮格）